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热调节暖体假人在着装舒适性评价中的应用现状

发布时间:2019-10-21 16:58
考虑到特殊着装环境会使人体产生冷热应激反应,特种功能服装在投入使用前有必要进行舒适性评价,判断着装人体在指定环境下从事一定强度作业,人体生理指标能否维持正常。相关评价方法以人体实验为主[1-2],但对于极端冷、热或火场等复杂环境,不便使用真人进行实验,同时人体主观因素会对结果产生不可控误差,因此出现了燃烧假人和暖体假人等替代性设备,具有实验结果稳定、可重复性高等优点。
 
暖体假人已被国际标准化组织(ISO)、美国材料与试验协会(ASTM)等标准机构采纳为服装热、湿阻测试的重要手段,获取单件或成套服装的干、湿热散失阻力,从而评价服装舒适性。但这类测试方法只能客观表征服装的隔热散湿能力,无法反映人体舒适性。后来Holmer又提出了服装所需热阻(IREQ)模型,规定了为避免人体遭受冷应激,服装应具备的隔热能力[3],将其与实测热阻对比,即可判断服装能否保障人体舒适性[4-5],该指标被ISO 11079∶2007《热环境工效学——使用服装所需热阻和局部降温效果确定人体冷应激》采纳,但是,不管是服装实测热阻或所需热阻,这类暖体假人实验从服装角度出发,并不能得到具体的人体生理状态。后来,又有学者结合温湿度传感器,通过分析衣下微环境的温湿度,评价人体舒适性[6-7]。虽然,微环境参数可间接反映人体所处热状态,但仍无法表征服装对人体热生理产生的影响。随后,以Stolwijk等[8]的25节点模型为基础开展的体温调节模型的构建与完善,为服装舒适性评价提供了新思路。Tanabe等[9]提出将体温调节模型与数值假人结合,通过计算流体力学软件,获得假人体表和周围环境的温度分布,但当时并未考虑服装这个因素。后来,美国可再生能源研究所首次提出暖体假人的热调节模式概念,将体温调节机制与假人系统耦合[10],综合环境、服装和人体因素,使得暖体假人可模拟人体进行热反应,得到瞬态皮温、下丘脑温度,为服装舒适性评价提供更具实际物理意义的参数,扩大了舒适性的研究范围。
 
本文着眼于热调节操作模式在暖体假人评价服装舒适性中的应用,以暖体假人常见的3个操作模式为出发点,分析其优缺点,指出开发热调节操作模式的可行性和必要性,并阐述开发和应用现状。最后将其与全尺度热调节数值假人进行对比,总结热调节假人未来的发展方向。
 
1 暖体假人常见操作模式
暖体假人评价服装舒适性时,通常使用服装热、湿阻这2个指标。热湿阻的测试有恒皮温(CT)、恒热流(CHF)和热舒适(TC)3种模式。从ASTM及ISO标准对3种测试模式的定义可看出,3种模式操作原理不同,假人皮肤温度和加热功率设置不同,因此适用的热环境也不同。恒皮温模式设定假人各区段皮温为34~35 ℃,假人通过自我调节加热系统的功率来保障皮温的恒定。但由于34~35 ℃为人体热中性环境下的皮温,所以恒皮温模式适用于非极端环境。恒热流模式根据人体运动负荷设定假人的加热功率,因此适用于各种环境,但由于假人缺少热调节功能,假人皮肤温度会随着加热功率的增加而不断上升,偏离人体实际情况,因此可控性不强[11]。热舒适模式以Fanger提出的人体热舒适方程为控制模型,存在类似人体热调节的过程,但只适用于热中性条件[12]。目前恒皮温模式是惯用的热阻测试模式,也是ASTM标准推荐使用的测试模式。
3种模式对应3种不同的算法,因而测试结果也不同。表1示出文献[12]~[15]使用不同方法测试服装热阻时,恒热流模式测试值与热舒适模式测试值的差异。由表可知,恒热流模式测试结果显着高于热舒适模式,差异最大可达78.4%。另外,服装阻值测试有ISO 9920: 2009《热环境工效学——服装热湿阻值评估》、ISO 7730: 2005《热环境工效学——使用PMV、PPD、局部热舒适指标计算热舒适》、ASHARE 55—2013《人类居住热环境条件》、ASTM F1291—2016《使用暖体假人测试服装热阻的标准测试方法》等多种标准,不同标准对测试细节规定不同,如ISO 9920恒皮温模式规定皮温为32~34 ℃,而ASTM F1291规定皮温为35 ℃。针对相同的服装,ISO 7730给出的热阻参考值大于ASHARE 55[16],这就使得标准化失去了意义,所以需要寻求一种更接近人体真实状态的操作模式来评价服装舒适性。
综上,暖体假人常用的3类评价服装舒适性模式存在明显的不足:1)仅适用于偏热中性环境。环境因素影响着装人体系统的热传递[17],常用的3类模式无法表征特种防护服在其着装环境下的实际隔热能力和人体实际着装舒适性;2)测试标准及模式间差异明显。而标准对3种模式都是认可的,这就增加了测试人员自由发挥的空间,也增加了评价服装舒适性的误差;3)忽略了复杂的人体内部热调节机制。关于人体—服装—环境系统热传递,只考虑了皮肤—服装—环境的热交换。一方面,使得假人瞬态的皮温、加热功率不具备实际物理意义。另一方面,无法反映某一特定环境下,服装影响人体热调节的过程,或环境瞬态变化对人体产生的影响。
 
2 热调节模式
鉴于常用的3种操作模式无法模拟人体热调节反应,学者们尝试了不同的方法使暖体假人更接近真实人体,比如参照人体实验结果为假人不同区段设置不同温度[18],设置假人各区段温度随时间变化等[19],这些尝试都增加了假人测试的灵活性,但并没有从本质上弥补无法模拟热调节的缺陷。假人需要根据环境及着装情况自动调节加热功率,使皮温朝着热舒适的方向调整[10],类似于智能产品的设计理念[20]。随着数值模拟研究在服装领域的展开,人体体温调节数学模型发展成熟,其中以Stolwijk的25节点模型[8]最为经典,后来Fiala等[21-22]、Tanabe等[9]在Stolwijk的研究基础上对血液循环系统进行改进,为暖体假人热调节模式的开发提供了基础。热调节模式的开发及运用依赖于体温调节模型与假人的耦合。
 
2.1 多节点体温调节模型
人体体温调节机制如图1所示,包括控制系统(主动系统)和被控系统(被动系统),其中,控制系统负责根据实时体温作出相应的调节反应,以保证人体内部温度恒定,包括应对低温的调节,有肌肉颤抖和血管收缩,应对高温的调节,有皮肤出汗和血管舒张。被动系统负责响应体温调节反应,包括人体的构成和人体内部及人体与外界环境的热交换系统[21-22]。
体温调节模型以数学方程的形式描述体温调节机制中的因果关系,通过求解方程预测体温调节的结果。最初,体温调节模型被运用在暖通、航天等领域,后来逐渐拓展至服装领域。现有的经典模型概括见表2,其中Fiala模型和多节点Pierce模型为经验模型,其余为理论模型。理论模型的适用范围更广,经验模型在适用范围内的准确性更高[23]。
本文对目前与假人耦合最多的Fiala模型进行详细介绍,分析其被动系统和主动系统的特征。
 
2.1.1 被动调节系统
Fiala模型以中等男性人体为依据,将人体划分为15个区段,每个区段再根据各自构造的特点划分为多层结构,包括7种不同的组织材料层:大脑、肺部、骨骼、肌肉、内脏、脂肪、皮肤[22]。各区段分成前、后、侧3个方位分开考虑,保证了模型适用于非均匀环境。
人体内部各节点的瞬态热传递,以Pennes生物热方程(1)为基准。该方程的左边考虑了节点间的径向热传导、各节点的代谢产热、各节点通过血液流动进行的对流传热,方程的右边为节点瞬态蓄热量。简化了节点间的横向热传递,只考虑了径向温差造成的热传递。虽然从理论上来说,相比径向热传递,横向传热量较小,可忽略,但是若将热调节模型应用于暖体假人系统,由于假人内部存在横向热流,所以会造成模型与实际情况不符,降低模型的控制准确性。
式中:k为导热系数;T为节点温度;r为节点半径;ω为几何因子;ρbl为血液密度;wbl为血液扩散率;cbl为血液热容量;Tbl,a为动脉血液温度;ρ为节点密度;c为节点热容量;t为时间。
 
2.1.2 主动调节系统
人体体温调节系统以热中性条件下人体各节点的温度为基准,判断人体瞬态的冷热感觉,然后作出相应的体温调节反应,使各节点的温度趋向于设定值。
Fiala对26组独立实验结果进行回归分析,量化人体主动调节反应所起的热量调节效果,如式(2)~(5)[21]所示,热调节反应的驱动主要为皮肤和下丘脑温度与设定温度的差值。
式(2)~(5)中:Sh为肌肉颤抖产生的热量;△Tsk,m为实际平均皮温和设定值的差值;△Thy为实际下丘脑温度和设定值的差值;Tsk,m为平均皮温;t为时间;Cs为血管收缩减少的热流量;Sw为皮肤出汗产生的热量;Dl为血管舒张增加的热流量。
 
2.2 体温调节模型与暖体假人系统耦合
使用2.1中介绍到的体温调节模型来控制暖体假人系统的操作,假人内部的热调节及热传递便通过数值模拟的方式进行,皮肤—服装—环境的热交换则实际存在着。具体的运行流程如图2所示。
假人提供人体当下的热状态作为体温调节模型的输入参数,即图2中的Error值,模型计算出在该状态下体温调节的结果,然后将计算结果反馈给假人[30],假人调节加热功率,系统不断迭代计算,直至假人达到稳定状态。这样的体温调节模型与假人系统耦合最初是由NREL提出的,用来评价航天用液冷服,通过观察平衡过程中假人体表的温度变化得出环境及服装对人体产生的生理影响,进而判断着装人体热舒适状态。后来,瑞士EMPA研究所[30]、美国西北测试科技公司(MTNW)[31-32]、Alto大学[33]都分别从事热调节暖体假人的开发,用于评价消防服、智能服装等对人体的热调节作用。
 
3 热调节暖体假人的应用
从客观评价角度来看,暖体假人在热调节模型的控制下,体表各区段的温度、体核温度、衣下温湿度、服装表面温度等瞬态参数值,可代表人体达到热平衡过程中的生理变化情况。从主观评价角度看,结合主观热感觉经验模型,可获得人体瞬态和稳态下的主观热感觉和舒适性评价值。这是目前热调节假人在服装舒适性评价方面的主要应用。
 
3.1 稳态热感觉预测
文献[33]使用多节点Pierce体温调节模型控制暖体假人,预测不同环境温度、湿度、风速条件下着装假人各区段的温度值,并使用加州大学伯克利分校热感觉模型(UCB)预测人体局部热感觉,同时与基于ASHARE 9级主观评价标尺的主观热感觉投票值进行对比。结果显示,UCB热舒适模型预测结果与主观评价结果基本一致,其中针对下半身的预测结果更接近主观评价值,原因主要在于UCB热舒适模型预测值的准确性,受热调节模型对局部皮温及代谢产热率预测准确性的影响。考虑到该研究的受试者来自热带地区,而多节点Pirece体温调节模型构建所依据的人体来自非热带地区,这可能是导致预测结果与主观评价结果存在差异的原因之一。由此可见,不同人种体温调节机制存在差异,Havenith等[34]在构建人体出汗图谱时也指出这一点,因此,使用热调节假人评价服装舒适性时,应根据着装对象选择对应的体温调节模型进行耦合。目前的经典模型大都由欧美地区学者构建,亚非地区应构建属于自己的模型。Foda等[33]同时使用了等效温度模型预测局部热感觉,并将预测结果与基于Bedford 7级主观评价标尺的热感觉投票值进行了对比,结果与UCB模型类似。
Foda等[11]于2012年又使用多节点Pierce模型进行了热感觉评价实验,同时使用恒皮温模式和受试者进行了对照实验,采用等效温度模型评价主观热感觉。对比结果显示,相比恒皮温模式,热调节模式达到稳定状态所需时间更短,且热感觉评价结果更接近受试者评价结果,但二者还是存在些微差距。由此可见,假人的热调节模型始终无法替代真人实验。Redortier等[35]和Burke等[36]在使用热调节假人时都指出,热调节模式预测结果与真人实验相似,但在局部差异较明显。Wang[37]也曾在他的研究报告中针对热调节假人能否取代真实人体这个问题,从理论角度展开过分析,认为提高热调节模型预测的准确性,需要完善假人的构造,以更好地匹配热调节模型。
 
3.2 瞬态热感觉预测
对于任意热环境下的人体,尤其是特殊环境,大多数情况下人体是处于非稳态的,所以瞬态热感觉的预测更具实际意义。自等效温度、PMV等热感觉模型的开发及标准化以后,复杂的瞬态热感觉成为学者们的研究重点,其中以Zhang等的研究成果为代表[38-40],总结了非均匀环境下人体局部及整体瞬态热感觉和热舒适性的UCB经验模型。文献[31]使用ADAM假人,耦合NREL自主研发的有限元体温调节模型,评价防护服对人体生理参数的影响时,就运用到了UCB经验模型。
Farrington等[32]使用ADAM假人和NREL体温调节模型,评价航天用液冷服对人体的降温效果,同时使用了红外相机拍摄着装假人表面红外图像,得到了服装外表面的温度分布情况,以此来评价服装的局部降温效果。由此可见,暖体假人热调节模式的运用一方面可模拟人体的真实热反应过程,另一方面可结合红外相机、外界传感器等设备获取服装外表面的温度信息,为舒适性评价提供更多的信息,扩大了舒适性的研究范围。
文献[7]使用Fiala热调节模型和Newton暖体假人结合,预测穿着不同面料配置运动服运动过程中体表温度和核心体温的变化趋势,然后使用UCB热舒适模型预测运动过程中人体的热感觉,由此来分析运动服面料配置对人体热湿舒适性的影响,结果如图3所示。实验结果体现了多区段体温调节模型的优势。
在军服领域,考虑到军人经常从事负重行军等任务,人体会遭受热应力的影响,对军服进行舒适性评价,是保障军人安全、提高作业效率的重要手段。Miyo等[29]使用美军方研发的热调节模型预测穿着军装在高温环境下的皮肤温度和核心温度,然后使用生理应激指标判断人体在作业过程中遭受的热应激程度,为军服设计提供了指导性意见。
热调节暖体假人在服装舒适性评价领域的应用,呈现出了预测皮温及核心温度,然后运用主观热感觉经验模型预测着装人体主观感觉的模式,已在防护服、航天服、运动服等服装评价中得到应用。目前,热调节模式预测结果相比传统模式更接近真实情况,但仍存在改进的空间。
 
4 与热调节数值假人的对比
理论分析、试验研究、数值模拟并称为科学研究的3种方法,其中数值模拟以低成本、高效、可仿真且能够得到许多物理试验得不到的参数等优点,已成为服装防护性及舒适性研究领域的一大发展方向[41]。
热调节暖体假人评价服装舒适性正是试验研究和数值模拟的结合,兼备了前者的真实性和后者的灵活性。然而,全尺度的数值模拟已成为近年的研究趋势,其中,织物层面的研究已相当丰富,尤其在热防护领域,通过对热流等边界条件的把握求解热传递模型,可预测皮肤烧伤情况[42-43]。结合计算流体动力学(CFD)对织物热防护性能(TPP)测试进行可视化数值模拟,可预测织物的热防护性能[41]。在服装层面,有学者将热调节模型、皮肤—服装—环境系统热传递模型结合起来,构造全尺度热调节数值假人模型[44],评价服装舒适性。
理论上分析热调节暖体假人和热调节数值假人的优缺点如表3所示,热调节数值假人可弥补暖体假人在模型与假人匹配性方面的缺陷,提高预测结果的准确性,且可得到更多有价值的信息。Tanabe等[9]曾使用65节点体温调节模型与数值假人结合进行环境舱内人体的全尺度模拟试验,得到了假人体表各区段的温湿度分布情况。Burker等[45]也曾使用Fiala体温调节模型分别进行了数值假人和暖体假人试验,模拟25 ℃的环境,46.52 W/m2的代谢产热,结果如图4所示,各区段温度分布趋势相一致,但局部温差较大,最高可达2 ℃。但上述研究都未使用真人进行对比试验,因此2种模拟结果的准确性都无从考证。
目前,热调节数值假人大都用于分析环境对人体的影响,考虑服装因素的研究较少,而热调节暖体假人的相关应用更多。作为服装舒适性评价的2种手段,二者各有优点,提高预测结果的准确性是目前2种方法都需要进一步完善的方向。
 
5 结 语
人体热调节模型与暖体假人系统的耦合实现了假人体温自适应的功能,弥补了恒皮温、恒热流、热舒适3个操作模式的缺陷,使得暖体假人不只是用来进行服装阻值评估,也可模拟人体对不同热环境作出的响应,瞬态及稳态的假人体表参数可为热感觉模型所用,评价着装人体任意时刻的舒适性,为服装的改进提供参考。目前,热调节假人已在消防服、运动服、航天液冷服等功能服装评价领域得到应用,但仍存在如下一些不足及可改进的方向。
1)热调节操作模式尚未标准化,应用并不广泛。目前使用最多的Fiala和多节点Pierce模型都为经验模型,脱离特定环境及人体活动负荷范围后,预测的准确性得不到保证,只有通过不断的试验验证来完善热调节模型,将误差缩到最小;可认为假人和热调节模型的契合度有待提高,一方面,假人内部是三维传热,而数值模型仅考虑一维传热,另一方面,假人的区段和热调节模型的区段在分割方式和数量上不一致,这都会导致模型调控的准确性受到影响。热调节模型可参考数值假人采用有限元网格划分技术来划分人体躯干,使其应对不同区段数的暖体假人时表现出更强的适应性。
2)具有国人或亚洲人体针对性的热调节暖体假人研发。我国于80年代开始了体温调节数值模型的研究工作,取得了不少非均匀冷、热环境下体温模型的研究成果,大都应用于航天舱环境设计和航天液冷服评价中。21世纪以来,相关研究成果及应用较少见,随着数值模拟研究成为服装舒适性评价领域的一大发展方向,不管是应用于暖体假人还是数值假人,未来都有必要继续完善适合中国人体特征的体温调节模型。
3)热感觉模型的耦合。目前,热调节暖体假人的应用最终都会落脚到热感觉或热舒适性评价上,若将已标准化的主观热感觉模型(如:等效温度、PMV)和热调节模型一同与假人操作系统耦合,可大大提高试验效率。


 

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